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基于多模式可穿戴設備的“智能”繃帶可以實現(xiàn)實時生理監(jiān)測和主動干預來促進慢性傷口的愈合。然而，在當前智能繃帶技術中，傳感器和刺激器的結(jié)合發(fā)展依然存在挑戰(zhàn)。此外，盡管粘性電極對于穩(wěn)健的信號轉(zhuǎn)導是必不可少的，但是現(xiàn)有粘性敷料的分離會導致對脆弱的傷口組織的二次損傷。

這里，斯坦福大學鮑哲南教授和Geoffrey C. Gurtner等人通過開發(fā)一種靈活的生物電子系統(tǒng)來克服這些問題，該系統(tǒng)由無線供電的閉環(huán)傳感和刺激電路組成，帶有能夠按需粘附和分離的皮膚界面水凝膠電極。在小鼠中，作者證明了該傷口護理系統(tǒng)可以連續(xù)監(jiān)測皮膚阻抗和溫度，并根據(jù)傷口環(huán)境提供電刺激。在臨床前傷口模型中，與對照組相比，治療組愈合速度快約25%，真皮重塑增強約50%。此外，作者觀察到單核細胞和巨噬細胞群中促再生基因的激活，這可能增強組織再生、新血管形成和皮膚恢復。

圖文解讀

圖1. 用于慢性傷口管理的無線智能繃帶的總體設計

集成傷口管理系統(tǒng)包括一個無需電池的無線供電柔性印刷電路板（FPCB），用于同時進行傷口治療和監(jiān)測；以及一個組織界面導電粘合水凝膠界面，用于穩(wěn)固和溫和的皮膚整合(圖1a，b)。由于FPCB的微薄特性和凝膠界面的低模量，智能繃帶是柔性的，可以舒適地附著在傷口表面(圖1c-e)。借助諧振頻率為13.56 MHz的天線線圈，該智能繃帶可以與外部射頻識別(RFID)閱讀器感應耦合。通過射頻(RF)能量收集過程，天線可以提供功率以在傷口上施加電偏壓用于程序化治療，同時驅(qū)動微控制器單元(MCU)和其他集成電路(例如，振蕩器和濾波器) ，根據(jù)ISO 15693協(xié)議通過MCU中的近場通信(NFC)應答器連續(xù)監(jiān)測傷口阻抗和溫度。

圖2. 無線傳感和刺激電路的驗證

對于無線天線，作者設計了一個最佳電感約為1.5 μH的五匝線圈，提供高RF采集電壓和寬可調(diào)性，可達到13.56 MHz的諧振頻率，從而實現(xiàn)最大的無線通信信號增益(圖2a-c)。此外，天線的品質(zhì)因數(shù)(Q)約為18，這達到了能量收集效率和無線通信帶寬之間的平衡(圖2b)。因此，天線提供了15厘米寬且穩(wěn)定的無線通信距離(圖2c，d)。此外，該裝置功能在彎曲時也保持穩(wěn)定(圖2e)。

圖3. 具有按需組織粘附和脫離的低阻抗導電水凝膠電極

組織界面凝膠需要具有對傷口組織的按需粘附性以在治療期間提供良好的粘附性；同時，在外部觸發(fā)(例如，溫和加熱)后容易、溫和地移除以減輕對脆弱傷口組織的二次損傷，并防止通常發(fā)生的醫(yī)用粘合劑相關皮膚損傷(圖3a)。作者通過N-異丙基丙烯酰胺(NIPAM)和丙烯酰胺(AAm)的熱響應共價網(wǎng)絡在PEDOT:PSS的物理交聯(lián)導電聚合物網(wǎng)絡的存在下的原位自由基聚合設計了互穿雙網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)(圖3b)。PEDOT:PSS的引入顯著降低了界面阻抗，在整個頻率范圍內(nèi)具有約0°的相角(圖3c)。當施加電壓脈沖時，PEDOT:PSS凝膠顯示出顯著增強的電荷注入能力(圖3d)，這確保了刺激從電子傳導電路到離子傳導組織的有效遞送。

除了改進的電性能之外，PEDOT:PSS的引入還增強了水凝膠的機械性能。在單向拉伸試驗下，復合凝膠可被拉伸至與對照聚-NIPAM凝膠類似的應變(約400%)，但具有更高的楊氏模量，從而產(chǎn)生增強的韌性(圖3e)。最后，作者觀察到，較低的臨界溶解溫度(LCST)轉(zhuǎn)變與凝膠粘附性的顯著變化相關，這可能是因為聚集的主鏈不再能與外表面形成有效的結(jié)合位點(圖3g)。因為LCST過程是可逆的，相同水凝膠的可調(diào)粘附性可以重復多次，而低溫粘附性的退化最小(圖3m)。

圖4. 無線智能繃帶持續(xù)監(jiān)測傷口生理狀況和加速組織再生

無線智能繃帶能夠?qū)谶M行主動監(jiān)測和閉環(huán)治療以及通過促進再生的作用模式加速愈合，該模式由參與傷口修復的細胞增殖和聚集增加來激活。這種雙模式集成推進了傷口愈合病理學領域，實現(xiàn)了治療模式的優(yōu)化。

總之，作者的研究目標是降低臨床設備的制造成本，以便在醫(yī)療體系中廣泛采用。該設備平臺也可能適用于其他疾病的管理，從而實現(xiàn)下一代閉環(huán)生物電子醫(yī)學。

文獻鏈接

Jiang, Y., Trotsyuk, A.A., Niu, S. et al. Wireless, closed-loop, smart bandage with integrated sensors and stimulators for advanced wound care and accelerated healing. Nat Biotechnol (2022). https://doi.org/10.1038/s41587-022-01528-3

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